Bài giảng Nguyên lý hệ điều hành: Chương 1 - Phạm Quang Dũng

Nội dung chương 1<br /> <br /> BÀI GIẢNG<br /> <br /> NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU HÀNH<br /> <br /> Hệ điều hành (Operating System) làm việc gì?<br /> Tổ chức của hệ thống máy tính<br /> Cấu trúc của HĐH<br /> <br /> Chương 1: Giới thiệu chung<br /> <br /> Hoạt động của HĐH<br /> Sự quản lý tiến trình<br /> Sự quản lý bộ nhớ chính<br /> <br /> Phạm Quang Dũng<br /> Bộ môn Khoa học máy tính<br /> Khoa Công nghệ thông tin<br /> Trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội<br /> Website: fita.hua.edu.vn/pqdung<br /> <br /> Sự quản lý bộ nhớ lưu trữ<br /> Protection và Security<br /> Các môi trường sử dụng máy tính<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> Mục tiêu<br /> <br /> 1.2<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> 1.1. Hệ điều hành làm việc gì<br /> <br /> Cung cấp một chuyến du ngoạn lớn qua các thành<br /> <br /> Cung cấp sự tổng quát về tổ chức hệ thống máy tính<br /> <br /> Hệ điều hành (Operating System): Là một chương<br /> trình hoạt động như một lớp trung gian giữa người<br /> sử dụng máy tính và phần cứng máy tính.<br /> <br /> cơ bản.<br /> <br /> Các mục đích của HĐH:<br /> <br /> phần chính của hệ điều hành.<br /> <br /> Thực hiện các chương trình của người sử dụng và giúp<br /> việc giải các bài toán của người sử dụng dễ dàng hơn.<br /> Giúp cho việc sử dụng hệ thống máy tính thuận tiện hơn.<br /> Sử dụng phần cứng máy tính theo một cách hiệu quả.<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.3<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.4<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> 1<br /> <br /> Cấu trúc của hệ thống máy tính<br /> <br /> Bốn thành phần hệ thống máy tính<br /> <br /> 1. Phần cứng (Hardware) – cung cấp các tài nguyên<br /> tính toán cơ bản (CPU, memory, I/O devices)<br /> 2. Hệ điều hành (Operating system) – điều khiển và sắp<br /> xếp việc sử dụng phần cứng trong các chương trình<br /> ứng dụng khác nhau đối với những người sử dụng<br /> khác nhau.<br /> 3. Các chương trình ứng dụng (Applications programs)<br /> – định cách sử dụng tài nguyên hệ thống để giải<br /> quyết các bài toán của người sử dụng (word<br /> processors, compilers, database systems, video games)<br /> <br /> 4. Users (people, machines, other computers)<br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.5<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Các cách nhìn đối với hệ điều hành<br /> Là trình phân phối tài nguyên (Resource allocator) – quản lý và<br /> quyết định phân phối các tài nguyên (CPU, không gian bộ nhớ,<br /> các thiết bị vào/ra...) cho các yêu cầu nhằm đạt hiệu quả và<br /> công bằng.<br /> Là một chương trình điều khiển (Control program) – điều khiển<br /> sự thực hiện các chương trình của người sử dụng và sự hoạt<br /> động của các thiết bị vào/ra để ngăn các lỗi và sự sử dụng sai.<br /> Không có định nghĩa hoàn toán đúng về HĐH.<br /> Kernel (nhân) – là một chương trình chạy liên tục không<br /> ngừng trên máy tính (tất cả các chương trình khác là chương<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.6<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Những gì dễ nhầm với hệ điều hành?<br /> Các lệnh/ứng dụng truy vấn trạng thái hệ thống:<br /> <br /> ls (UNIX), Task<br /> <br /> Manager (Windows). Đó là các công cụ và không chạy liên tục.<br /> Các trình điều khiển thiết bị ngoại vi (drivers): khiến cho HĐH có<br /> thể sử dụng phần cứng mới, chúng là OS extensions chứ không<br /> phải là bản thân OS. Cũng giống như browser plugin và browser.<br /> Các phần mềm có thể đơn phương truy nhập phần cứng:<br /> VMWare là một virtual PC (không phải hardware). Có thể cài<br /> Windows “trên” nó.<br /> Java VM là một virtual machine (không phải hardware), API<br /> (application program interface) của nó là một HĐH suy rộng.<br /> (Careful: JavaOS là một project riêng)<br /> <br /> trình hệ thống hoặc chương trình ứng dụng).<br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.7<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.8<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> 2<br /> <br /> Tại sao phải nghiên cứu HĐH?<br /> Thiết kế HĐH là một nghiên cứu riêng (case study) rất<br /> tốt về thiết kế kỹ nghệ phần mềm.<br /> The better you know the OS, the better apps you<br /> write, the better you understand its bugs and work<br /> around them.<br /> HĐH sử dụng các thuật giải phức tạp, rất nhiều trong<br /> đó có thể được sử dụng lại trong các phần mềm<br /> khác, vd: phát hiện bế tắc (deadlock detection).<br /> <br /> Sự khởi động máy tính<br /> bootstrap program (chương trình mồi) được nạp khi<br /> bật máy hoặc khi khởi động lại.<br /> Thường được chứa trong ROM hoặc EPROM, thường được<br /> gọi là firmware.<br /> Khởi tạo tất cả các khía cạnh của hệ thống.<br /> Nạp nhân (kernel) của HĐH và bắt đầu sự thực hiện.<br /> <br /> HĐH cần có sự phát triển nhanh của phần cứng.<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.9<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> 1.2. Tổ chức của hệ thống máy tính<br /> Một hoặc nhiều CPU, device controler kết nối với nhau bằng bus<br /> chung cho phép truy nhập bộ nhớ chia sẻ.<br /> Sự thực hiện đồng thời của CPU và các thiết bị cạnh tranh các<br /> chu kỳ bộ nhớ.<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.10<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Hoạt động của hệ thống máy tính<br /> Các thiết bị vào-ra và CPU có thể thực hiện đồng thời.<br /> Mỗi mạch điều khiển thiết bị (device controller) phụ trách một loại<br /> thiết bị riêng và có một bộ nhớ đệm riêng (local buffer).<br /> CPU chuyển dữ liệu từ/đến bộ nhớ chính đến/từ các buffer.<br /> Vào-ra từ thiết bị đến local buffer của mạch điều khiển.<br /> Mạch điều khiển thiết bị thông báo cho CPU biết nó đã hoàn tất<br /> công việc của nó bằng cách gây ra một ngắt (interrupt).<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.11<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.12<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> 3<br /> <br /> Các chức năng chính của ngắt<br /> HĐH được điều khiển bằng ngắt (interrupt driven), nghĩa là mã<br /> lệnh của nó chỉ được gọi đến khi ngắt xuất hiện.<br /> Thông thường ngắt chuyển điều khiển cho thường trình dịch vụ<br /> ngắt thông qua vector ngắt (interrupt vector), có chứa địa chỉ của<br /> tất cả các thường trình dịch vụ ngắt (interrupt service routine).<br /> Kiến trúc ngắt (Interrupt architecture) phải lưu địa chỉ của lệnh bị<br /> ngắt.<br /> <br /> Xử lý ngắt<br /> HĐH duy trì trạng thái của CPU bằng cách lưu giữ nội dung các<br /> thanh ghi, bộ đếm chương trình (program counter - PC) và địa<br /> chỉ của lệnh bị ngắt.<br /> HĐH xác định loại ngắt nào đã xuất hiện và có những hành động<br /> thực hiện tương ứng:<br /> polling<br /> vectored<br /> <br /> Các ngắt đến bị vô hiệu (disabled) trong khi một ngắt đang được<br /> thực hiện để tránh bị mất ngắt (lost interrupt).<br /> <br /> Thường trình dịch vụ ngắt (interrupt service routine) chịu trách<br /> nhiệm thực hiện các ngắt, CPU được dành cho xử lý ngắt.<br /> <br /> Một bẫy (trap) là phần mềm tạo ngắt gây ra bởi một lỗi hoặc yêu<br /> cầu của người sử dụng.<br /> <br /> Sau khi phục vụ ngắt, HĐH khôi phục lại ngữ cảnh trước ngắt<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.13<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> Interrupt Timeline<br /> <br /> 1.14<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Cấu trúc vào-ra<br /> Synchronous I/O: Sau khi bắt đầu vào-ra, quyền kiểm soát chỉ<br /> quay lại chương trình của người sử dụng khi vào-ra đó kết thúc.<br /> Chờ lệnh làm rỗi CPU cho đến khi có lệnh ngắt kế tiếp.<br /> Chờ theo vòng lặp kiểm tra CPU rỗi → tranh chấp truy nhập bộ nhớ.<br /> Tại một thời điểm, chỉ có 1 yêu cầu vào-ra được thực hiện, không có<br /> sự xử lý I/O đồng thời.<br /> <br /> Asynchronous I/O: Sau khi I/O bắt đầu, quyền kiểm soát quay lại<br /> chương trình của người sử dụng mà không cần chờ I/O kết thúc.<br /> System call – gửi yêu cầu tới HĐH cho phép người sử dụng đợi I/O<br /> kết thúc (nếu muốn).<br /> Bảng trạng thái thiết bị (Device-status table) chứa thông tin (entry)<br /> của mỗi thiết bị I/O cho biết trạng thái, địa chỉ và loại của thiết bị.<br /> HĐH tra cứu vào bảng I/O device để xác định trạng thái thiết bị và<br /> sửa đổi thông tin để thêm thông tin ngắt.<br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.15<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.16<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> 4<br /> <br /> Mô tả 2 phương pháp vào-ra<br /> Đồng bộ - Synchronous<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> Bảng trạng thái thiết bị<br /> <br /> Không đồng bộ - Asynchronous<br /> <br /> 1.17<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> Cấu trúc DMA (Direct Memory Access)<br /> Được sử dụng cho các thiết bị tốc độ cao (disk, communications<br /> network) để có thể tăng tốc độ trao đổi thông tin gần tới tốc độ<br /> <br /> 1.18<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Cấu trúc hệ thống nhớ<br /> Bộ nhớ chính (Main memory: RAM) – phương tiện lưu trữ lớn<br /> duy nhất mà CPU có thể truy nhập trực tiếp.<br /> <br /> bộ nhớ.<br /> <br /> Quá nhỏ để có thể lưu trữ ổn định tất cả các chương trình và dữ<br /> liệu cần thiết.<br /> <br /> Mạch điều khiển thiết bị chuyển toàn bộ các khối dữ liệu (block<br /> <br /> Có tính không ổn định ⇒ mất dữ liệu khi tắt nguồn.<br /> <br /> of data) từ bộ nhớ buffer trực tiếp tới bộ nhớ chính không qua sự<br /> can thiệp của CPU.<br /> Chỉ có 01 ngắt được sinh ra đối với mỗi block, tối ưu hơn là mỗi<br /> ngắt đối với 01 byte (hoặc word) đối với các thiết bị tốc độ chậm.<br /> <br /> Bộ nhớ thứ cấp (Secondary storage) – là sự mở rộng của bộ<br /> nhớ chính, để cung cấp dung lượng bộ nhớ lớn và ổn định.<br /> Vd: Đĩa từ (Magnetic disks: đĩa cứng, đĩa mềm)<br /> Cấu tạo bằng kim loại cứng hoặc các miếng kính được bao bọc<br /> bởi vật liệu nhiễm từ.<br /> Bề mặt đĩa được chia (vật lý) thành các tracks, mỗi track được chia<br /> thành các sectors.<br /> Mạch điều khiển đĩa (disk controller) xác định sự tương tác vật lý<br /> giữa thiết bị và máy tính.<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.19<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> Bài giảng Nguyên lý Hệ điều hành<br /> <br /> 1.20<br /> <br /> Phạm Quang Dũng ©2008<br /> <br /> 5<br /> <br />